Universität zu Köln

Shouan, Liu (2014). The role of Arabidopsis WRKY33 in modulating host immunity towards the necrotroph Botrytis cinerea. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The Arabidopsis thaliana transcription factor WRKY33 is a key transcriptional regulator of plant responses towards B. cinerea strain 2100 infection, and is essential for resistance. To elucidate the critical molecular components involved, global mapping of WRKY33-regulated target genes was performed by integrating ChIP-seq data of WRKY33 binding sites with RNA-seq results of 14h B. cinerea-induced and WRKY33-dependent gene expression profiles. Comparative gene expression analysis between resistant wild-type Columbia-0 and susceptible wrky33 mutant plants revealed that B. cinerea 2100-induced WRKY33 has both transcriptional activator and repressor roles in regulating hundreds of target genes with distinct molecular functions, but mainly acts as a transcriptional repressor. Genome-wide analysis confirmed previously known WRKY33 targets involved in ethylene and jasmonic acid hormone signaling and phytoalexin biosynthesis, but also uncovered new vital components affecting the complex regulatory circuitry affecting resistance towards Botrytis. In particular, the abscisic acid (ABA) biosynthetic genes NCED3 and NCED5 were identified as key targets of WRKY33-mediated resistance towards this necrotroph. Further genetic, biochemical and molecular studies confirmed that WRKY33 acts upstream of NCED3 and NCED5 to negatively regulate ABA biosynthesis and signaling. These results reveal a novel role of WRKY33 in modulating host immunity by repressing part of the ABA hormone regulatory network. Comparative analysis of WRKY33 function between the B. cinerea avirulent strain 2100 and the virulent strain B05.10 revealed that Botrytis-induced WRKY33 gene expression and protein accumulation are significantly lower in B. cinerea B05.10 infected WT plants than in plants challenged with strain 2100. As a consequence, the expression levels of WRKY33-regulated target genes involved in the biosynthesis of antifungal camalexin and JA/ET related defense signaling are clearly reduced upon B05.10 infection. However, WRKY33-overexpression lines were clearly resistant to B05.10. These data strongly suggest that WRKY33-dependent early immune responses in WT plants were negatively affected by B. cinerea virulent strain B05.10. Further analysis of Arabidopsis ABA deficiency mutants in combination with B. cinerea B05.10 BcABA mutants revealed that, as is the case for strain 2100, Arabidopsis-derived ABA negatively regulates plant immune responses to B05.10. Elevated JA/ET levels were observed in nced3 nced5 double mutants, suggesting that ABA antagonizes JA/ET signaling upon B05.10 infection. This ABA antagonism of JA/ET signaling was dependent on WRKY33. In conclusion, this thesis provides novel insights into the role of WRKY33 in modulating host immunity towards both an avirulent and a virulent strain of the necrotrph B. cinerea.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Der Transkriptionsfaktor WRKY33 von Arabidopsis thaliana ist ein zentraler Regulator von pflanzlichen Reaktionen auf den B. cinerea Stamm 2100 und essentiell für die Resistenz der Pflanze gegenüber diesem Stamm. Um beteiligte wichtige molekulare Komponenten in diesem Prozess zu finden, wurden WRKY33-regulierte Gene 14 Stunden nach Behandlung mit B. cinerea genomweit kartiert. Dazu wurden die mittels ChIP-seq ermittelten WRKY33 Bindungsstellen im Genom mit RNA-seq Ergebnissen von B. cinerea induzierten und WRKY33-abhängigen Eexpressionsprofilen abgeglichen. Vergleichende Genexpressionsanalysen zwischen resistenten wildtyp Colombia-0 und anfälligen wrky33 Mutantenpflanzen ergab, daß B. cinerea-induziertes WRKY33 Protein sowohl transkriptionsaktivierende als auch -hemmende Aufgaben bei der Regulation von hunderten Zielgenen mit bestimmten molekularen Funktionen hat, aber hauptsächlich als Repressor fungiert. Die genomweite Untersuchung bestätigte bereits bekannte WRKY33 Zielgene, die an den Ethylen (ET) und Jasmonsäure (JA) Hormon-Signalketten und der Phytoalexin Biosynthese beteiligt sind. Es wurden aber auch neue wesentliche Komponenten entdeckt, die die komplexe Regulation der Resistenz gegenüber B. cinerea beeinflussen. Im Besonderen wurden die Abscisinsäure (ABA) Biosynthesegene NECD3 und NECD5 als Schlüsselgene der WRKY33-vermittelten Resistenz gegenüber diesem nekrotrophen Pilz identifiziert. Eingehendere genetische, biochemische und molekulare Untersuchungen ergaben, daß WRKY33 oberhalb von NCED3 und NCED5 agiert um in negativer Weise die ABA Biosynthese und Signalkette zu regulieren. Damit stellen diese Ergebnisse eine neue Rolle von WRKY33 bei der Modulierung der wirtseigenen Immunität (host immunity) dar, indem ein Teil des ABA Hormon zugehörigen Regulationsnetzwerkes unterdrückt wird. Vergleichende Untersuchungen des WRKY33 Verhaltens gegenüber dem B. cinerea avirulenten Stamm 2100 und dem virulenten Stamm B05.10 ergaben, daß die WRKY33 Genexpression und Proteinanreicherung in B05.10-infizierten wildtyp Pflanzen signifikant geringer war als in Pflanzen die mit dem Stamm 2100 infiziert waren. Als eine Folge davon war die Expressionsstärke der WRKY33-regulierten Zielgene, die an der Biosynthese des fungiziden Camalexins und an der JA/ET Signalkette beteiligt sind, nach Behandlung mit B05.10 klar reduziert. Allerdings waren WRKY33 überexpremierende Pflanzen nach Infizierung mit B05.10 eindeutig resistent. Diese Ergebnisse deuten stark darauf hin, daß WRKY33-abhängige frühe Immunreaktionen in wildtyp Pflanzen durch den virulenten B. cinerea Stamm B05.10 negativ beeinflußt waren. Eine genauere Untersuchung von Arabidopsis ABA-defizienten Mutanten in Kombination mit B05.10 BcABA Mutanten ergab, daß, wie auch beim Stamm 2100, von Arabidopsis herrührendes ABA die Pflanzenimmunreaktionen unterdrückt. In nced3 und nced5 Mutanten wurden erhöhte JA/ET Werte beobachtet, was darauf hindeutet, daß ABA die JA/ET Signalketten nach B05.10 Infektion unterdrückt. Dieser Antagonismus zwischen ABA und der JA/ET Signalkette war abhängig von WRKY33. Abschließend kann gesagt werden, daß die vorliegende Arbeit neue Einblicke in die Aufgaben von WRKY33 bei der Modulation der Wirtsimmunität gegenüber einem avirulenten und einem virulenten B. cinerea Stamm gewährt. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Shouan, Liu sliu@mpipz.mpg.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-62391
Date:	November 2014
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Plant Breeding Research
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language WRKY33, ChIP-seq, RNA-seq, plant immunity, Botrytis cinerea UNSPECIFIED
Date of oral exam:	29 January 2015
Referee:	Name Academic Title Schulze-Lefert, Paul Prof. Dr. Flügge, Ulf-Ingo Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6239